磨損是機械設(shè)備損壞的主要原因之一，而在機械設(shè)備中添加潤滑脂是減少磨損的有效途徑，在各類工程機械設(shè)備中都得到了廣泛應(yīng)用。隨著機械設(shè)備向高速、重載方向發(fā)展，潤滑脂的性能要求也在不斷提高。聚脲潤滑脂相比于其他潤滑脂具有使用壽命長、滴點高、易生物降解等特點，不僅能滿足潤滑性能的需求，還符合環(huán)境友好型的發(fā)展理念。然而，這種潤滑脂的摩擦學(xué)性能仍無法滿足不斷提高的性能要求。近年來，添加劑的使用已成為提高潤滑脂摩擦學(xué)特性的一種解決方案。初步研究表明，加入添加劑的潤滑脂在極端壓力環(huán)境下的性能有所改善，并且具有抗磨減摩的特性。

納米顆粒具有粒度小、比表面積大、相容性良好等特點，是潤滑脂中常用的一類添加劑。MAHARA 等在印楝油中加入納米SiO2后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加納米SiO2的質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，潤滑油具有最佳的摩擦學(xué)性能。RAWAT等將自制納米SiO2分散在石蠟潤滑脂中，利用四球摩擦試驗機研究復(fù)合潤滑脂的摩擦學(xué)特性并尋找出納米SiO2的最佳添加量。劉劍平等將納米SiO2分散在鋰基潤滑脂中發(fā)現(xiàn)，納米SiO2顆粒能夠改善鋰基潤滑脂的觸變性，提高其抗剪切能力和熱穩(wěn)定性，當(dāng)納米SiO2的粒徑為30nm、質(zhì)量分數(shù)為4%時，潤滑脂的摩擦因數(shù)最小。上述研究證明，納米SiO2作為添加劑可以顯著提升潤滑脂的摩擦學(xué)性能。此外，納米Al2O3作為添加劑具有提高潤滑脂摩擦學(xué)性能的潛力。莫來石是鋁-硅體系中唯一穩(wěn)定的中間相，主要由Al2O3與SiO2組成，其特有的成分使其有望成為優(yōu)異的潤滑脂添加劑。然而目前，將納米莫來石用作聚脲潤滑脂添加劑方面的研究較少。為此，作者制備了添加不同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石的聚脲潤滑脂，利用四球摩擦試驗機評價納米莫來石的添加量對聚脲潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響，并探究了莫來石在潤滑過程中的減摩抗磨機理。

1、試樣制備與試驗方法

試驗材料包括：納米莫來石顆粒，粒徑在40~60μm，純度為99.98%，見喜納米材料技術(shù)研發(fā)有限公司提供，微觀形貌見圖1，可見其形狀為柱狀；WUA231聚脲潤滑脂，山立欣業(yè)新材料有限公司提供，具體參數(shù)如表1所示；無水乙醇，富宇化工有限  公司提供；石油醚，成都市科隆化學(xué)品有限公司提供。所有化學(xué)試劑均為分析純。納米莫來石顆粒的X射線衍射（XRD）譜如圖2所示，可見其衍射特征  峰的位置與標(biāo)準(zhǔn)卡（PDF#12-0539）基本一致，表明納米莫來石主要成分為Al2O3與SiO2，屬斜方晶系， 同時特征峰峰型尖銳，表明其結(jié)晶度良好。

圖1  納米莫來石顆粒的微觀形貌

表1  WUA231聚脲潤滑脂的主要參數(shù)

圖 2    納米莫來石顆粒的XRD譜

制備添加納米莫來石添加劑的復(fù)合潤滑脂的流程如下：按照添加質(zhì)量分數(shù)分別為0，0.01%，0.03%，0.05%，0.10%，0.40% 稱取納米莫來石顆粒，加入到20mL石油醚溶液中，超聲震蕩20min，將該溶液逐滴添加到油浴加熱至180℃的基礎(chǔ)聚脲潤滑脂中，使用DF-101S型焦熱式恒溫加熱磁力攪拌器勻速攪拌60min，待石油醚完全蒸發(fā)后，降至室溫。

采用MRS-10D型四球摩擦試驗機在不同復(fù)合潤滑脂的潤滑條件下進行摩擦磨損試驗，所用磨球為直徑12.7mm的GCr15鋼球，硬度為64~66HRC，由上海鋼球廠提供，試驗載荷為392N，主軸轉(zhuǎn)速為1 200r·min−1，試驗溫度為室溫，試驗時間為60min，復(fù)合潤滑脂需浸沒過下部鋼球頂部至少3mm，對于添加相同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石顆粒的復(fù)合潤滑脂，重復(fù)進行3次試驗取平均值。利用CMS GmbH型光學(xué)顯微鏡（OM）與 NOVA NANOSEM 450型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同潤滑條件下摩擦副的表面磨損形貌。采用Nanovea ST400型三維表面輪廓儀測得摩擦副表面2 mm×2 mm區(qū)域的磨損輪廓，統(tǒng)計得到磨痕寬度、深度以及表面粗糙度。采用Thermo escalab 250XI型X射線光電子能譜儀（XPS）對摩擦副表面潤滑膜進行元素價態(tài)分析。

2、試驗結(jié)果與討論

2. 1    摩擦磨損性能

由圖3可以看出，隨著磨損時間的延長，添加不同含量納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑時摩擦副的摩 擦因數(shù)均先增大后減小，并在1800s后逐漸趨于穩(wěn)定，表明聚脲潤滑脂的基礎(chǔ)潤滑性能穩(wěn)定。隨著聚脲潤滑脂中納米莫來石添加量的增加，摩擦副的穩(wěn)定摩擦因數(shù)呈先減小后增大的趨勢，在納米莫來石的質(zhì)量分數(shù)為0.03%時達到最小值，為0.058 7，相比于未添加莫來石的基礎(chǔ)潤滑脂潤滑時（0.064 7）降低9.3%，表明添加適量的納米莫來石可以起到良好的減摩效果，這歸因于聚脲潤滑脂層狀增稠劑結(jié)構(gòu)與分散的莫來石納米顆粒的協(xié)同作用。當(dāng)納米莫來石的質(zhì)量分數(shù)超過0.03% 時，隨著其添加量的增加，摩擦副的摩擦因數(shù)顯著升高，這是高表面能導(dǎo)致納米粒子形成團聚，潤滑效果變差所致。隨著納米莫來石添加量的增加，鋼球表面的磨痕寬度呈先減小后增大的趨勢，與穩(wěn)定摩擦因數(shù)呈現(xiàn)相似的趨勢。當(dāng)納米莫來石質(zhì)量分數(shù)為0.03%時，摩擦副的磨痕寬度最小，為0.64 mm，相比于基礎(chǔ)潤滑脂潤滑 時（0.72 mm）減小了11.1%，此時潤滑脂的潤滑效果最好，抗磨性能最好。納米莫來石具有強度高、蠕變率低的特性，能夠在摩擦過程中發(fā)揮微軸承效應(yīng)，使鋼球之間的摩擦方式由滑動摩擦轉(zhuǎn)為滾動摩擦，從而提升聚脲潤滑脂的抗磨效果；但是添加過量時，納米莫來石在摩擦過程中容易發(fā)生團聚，在鋼球表面形成嚴重磨粒磨損，導(dǎo)致磨痕寬度增大，聚脲潤滑脂的抗磨效果變差。

圖3 在添加不同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑下摩擦副的摩擦因數(shù)曲線和磨痕寬度

由圖4可以看出，在基礎(chǔ)潤滑脂潤滑條件下，摩擦副磨損表面存在較多且深的犁溝，沿滑動方向存在明顯的黏著磨損與剝離現(xiàn)象。在添加質(zhì)量分數(shù) 0.03% 納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑條件下，磨損表面犁溝數(shù)量較少且深度較淺，表明納米莫來石作為添加劑能夠有效提升聚脲潤滑脂的抗磨性能，也驗證了納米莫來石能夠沉積在摩擦副表面，在承載的同時將摩擦副之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦。當(dāng)納米莫來石的質(zhì)量分數(shù)提升至0.10% 時，磨痕寬度顯著增大，磨損表面犁溝數(shù)量明顯增加，磨粒磨損現(xiàn)象明顯，黏著磨損與剝離現(xiàn)象再度出現(xiàn)。可知，添加質(zhì)量分數(shù)0.03%納米莫來石能夠有效提升聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能。

圖 4    在添加不同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑下摩擦副磨損表面 OM 形貌及 SEM 形貌

由圖5可以看出，相比于基礎(chǔ)潤滑脂潤滑條件， 在添加質(zhì)量分數(shù)0.03%納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑條件下的磨痕深度降低了24.2%。在基礎(chǔ)潤滑脂潤滑條件下磨損表面存在數(shù)量多且深、有規(guī)則的犁溝，而在添加質(zhì)量分數(shù)0.03%納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑條件下磨損表面磨痕深度較淺，沿滑動方向出現(xiàn)的少量材料堆積現(xiàn)象是納米莫來石在摩擦過程中發(fā)揮滑動摩擦作用的證據(jù)；此時的磨損表面粗糙度Ra從2.033μm降低至1.820μm，這歸因于高比表面積和小尺寸特性使得納米莫來石能夠有效沉積并吸附在摩擦副表面，促進了低剪切阻力潤滑膜的形成。當(dāng)納米莫來石質(zhì)量分數(shù)增大到0.10%時，潤滑效果顯著降低，磨痕直徑增大，表面形成較大深度的犁溝，沿滑動方向的材料堆積現(xiàn)象加劇，磨痕深度和表面粗糙度顯著增大，這是由于過高含量的納米粒子團聚會破壞潤滑膜的完整與穩(wěn)定，對摩擦副表面造成嚴重的磨粒磨損。

圖5 在添加不同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑下摩擦副的磨損表面三維形貌及磨痕截面輪廓

2. 2    納米莫來石顆粒的作用機理

由圖6可知：基礎(chǔ)潤滑脂潤滑條件下摩擦副表面潤滑膜的高分辨O1s譜結(jié)合能整體較弱，表明潤滑膜的氧化物含量較低；533.2 eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)C—O鍵合和氮氧化物（與總譜中的N1s峰相對應(yīng)），531.1 eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)OH−，531.6 eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)C=O鍵，來自潤滑脂中的長鏈碳氫化合物，532.2 eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)FeOOH，這與高分辨Fe2p譜峰強較弱相吻合。在添加質(zhì)量分數(shù)0.03%納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑條件下，潤滑膜的高分辨Fe2p譜中鐵元素結(jié)合能極其微弱， 表明潤滑膜中的鐵含量微乎其微，證明納米莫來石的加入能夠有效降低表面磨損程度；高分辨O1s譜中位于532.4eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)SiO2，與總譜中103.1eV結(jié)合能處硅峰的存在相吻合；531.8eV結(jié)合能處的峰對應(yīng)Al2O3，由高分辨Al2p譜可見潤滑膜中存在少量鋁元素，這也證明納米莫來石參與摩擦過程并能夠存在于潤滑膜中；潤滑膜中SiO2的含量遠高于Al2O3，表明在摩擦過程中承受摩擦副之間的應(yīng)力、改變摩擦副之間的摩擦方式起主要積極作用的是納米莫來石中的SiO2成分，Al2O3主要是吸附、沉積在摩擦副表面以促進潤滑膜的形成。綜上， 摩擦副表面的潤滑膜是在摩擦條件下通過增稠劑活性元素和摩擦副金屬元件相互作用而形成的，主要由聚脲潤滑脂、含C—O鍵的化合物、氮氧化物與添加劑莫來石組成。

圖6 在添加不同質(zhì)量分數(shù)納米莫來石的聚脲潤滑脂潤滑下摩擦副表面潤滑膜的 XPS 譜

由圖7可見，在摩擦磨損過程中，由于納米莫來石的存在，摩擦副的實際接觸面積增加，莫來石中SiO2成分有助于降低接觸壓力，使摩擦副的摩擦方式轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，而Al2O3沉積并吸附在摩擦副的剪切面上，填充表面的凹坑與凹陷，促進潤滑膜形成以阻止摩擦副的直接接觸。納米莫來石中2種成分所發(fā)揮的協(xié)同作用使得聚脲潤滑脂表現(xiàn)出良好的潤滑效果。

圖7 添加納米莫來石與聚脲潤滑脂的潤滑機制示意

3、結(jié)  論

（1）隨著聚脲潤滑脂中納米莫來石添加量的增加，摩擦副的穩(wěn)定摩擦因數(shù)和磨痕寬度均呈先減小后增大的趨勢，在納米莫來石的質(zhì)量分數(shù)為0.03%時達到最小值，分別為0.058 7，0.64mm，相比于在未添加莫來石的基礎(chǔ)潤滑脂潤滑條件下分別降低9.3%和11.1%，此時納米莫來石起到了積極的減摩抗磨效果。

（2）添加納米莫來石的聚脲潤滑脂優(yōu)異的摩擦學(xué)性能歸因于在摩擦過程中形成了由聚脲潤滑脂、 含C—O鍵的化合物、氮氧化物與莫來石組成的潤滑膜。莫來石中的SiO2有助于降低接觸壓力，將摩擦副的摩擦方式變?yōu)闈L動摩擦，而Al2O3能夠填充摩擦副表面的凹坑與凹陷，促進潤滑膜的形成；2種成分所發(fā)揮的協(xié)同作用使得聚脲潤滑脂表現(xiàn)出良好的潤滑效果。

作者：李國濤，何　強，許澤華，張　磊，陳勇剛，杜治材

工作單位：中國民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院

來源：《機械工程材料》2024年6期